Cum pătrunde câmpul magnetic în materialele de ecranare? Analiză și comparație

De ce este ecranarea câmpului magnetic o provocare?

Ecranarea câmpurilor magnetice este una dintre cele mai complexe probleme din ingineria electromagnetică. Spre deosebire de câmpul electric, care poate fi blocat relativ ușor cu straturi conductoare sau izolatoare, câmpul magnetic are capacitatea de a pătrunde prin multe materiale, ceea ce îngreunează semnificativ atenuarea sa eficientă.

Principalele dificultăți decurg din faptul că un câmp magnetic nu interacționează direct cu sarcinile electrice, ci cu curenții și momentele magnetice. Prin urmare, materialele utilizate pentru ecranare trebuie nu doar să conducă electricitatea, ci și să reacționeze corespunzător la schimbările câmpului, ceea ce, în practică, înseamnă că trebuie luați în considerare o multitudine de parametri fizici și structurali.

Ecranele metalice tipice, realizate din folie sau tablă, atenuează excelent câmpul magnetic datorită conductivității ridicate și efectului de suprafață (skin effect), care limitează pătrunderea câmpului la un strat de material foarte subțire. Din păcate, astfel de soluții sunt rigide și inflexibile, ceea ce constituie un dezavantaj semnificativ în multe aplicații moderne, cum ar fi electronica purtabilă sau circuitele flexibile.

Apasă și vezi ecranele noastre din două piese din seria MS

Fig. 1. Ecran metalic PCB

Prin urmare, materialele de ecranare cu fibre conductoare câștigă tot mai mult teren, oferind flexibilitate și ușurință în adaptarea la diverse forme. Cu toate acestea, acțiunea lor este mult mai complexă și necesită o înțelegere detaliată a mecanismelor de pătrundere a câmpului magnetic prin structura lor.

Apasă și vezi țesăturile noastre conductoare și de ecranare EMI/EMC

Fig. 2. Material flexibil conductor

Materiale de ecranare cu fibre conductoare - o alternativă la metale

Ecranele magnetice fabricate din metale precum cuprul sau aluminiul, deși foarte eficiente, au limitări semnificative. Rigiditatea și inflexibilitatea lor înseamnă că nu pot fi întotdeauna aplicate cu ușurință în construcțiile electronice moderne, adesea complexe, sau în dispozitivele care necesită materiale de protecție flexibile.

Ca răspuns la aceste provocări, au apărut materialele de ecranare bazate pe fibre conductoare. De obicei, acestea sunt fibre metalizate sau acoperite cu un strat de metal, formate în plase sau țesături care creează ecrane ușoare, flexibile și ușor de adaptat. Astfel de soluții sunt utilizate din ce în ce mai des în electronica purtabilă, în industria auto și în telecomunicații, unde sunt necesare atât proprietăți de ecranare, cât și confortul în utilizare.

Fibrele conductoare formează o structură de plasă, compusă din ochiuri scurte și închise, care sunt responsabile de atenuarea câmpului magnetic. Cu toate acestea, acțiunea lor este mult mai complexă decât în cazul ecranelor metalice uniforme. Eficiența este influențată nu doar de conductivitatea metalului în sine, ci și de dispunerea sa spațială, de dimensiunea orificiilor dintre fibre și de parametrii electrici ai structurii în sine.

Apasă și verifică corturile noastre EMC

Fig. 3. Cort EMC

În plus, parametrii interni, cum ar fi rezistența (R'), inductanța (L') și capacitatea (C') acestei structuri fibroase sunt cruciali pentru modul în care câmpul magnetic este atenuat. Complexitatea acestor mecanisme face ca eficiența ecranării să nu fie constantă, ci să depindă puternic de frecvența câmpului, precum și de geometria și proprietățile materialului în sine. Fig. 4

Fig. 4. Apropierea materialului de ecranare

Parametrii care influențează eficiența ecranării magnetice

Eficiența materialelor care ecranează câmpul magnetic depinde de o multitudine de factori care pot fi împărțiți în două grupuri principale: proprietățile interne ale materialului și structura fizică a fibrelor conductoare. Înțelegerea acestor parametri este esențială pentru a alege sau a proiecta în mod conștient un ecran magnetic eficient.

Proprietățile interne ale materialului: R', L', C'

În literatura tehnică și în practica inginerească, ecranarea este descrisă, printre altele, prin trei parametri de bază:

• R' (rezistență liniară) – definește rezistența electrică a conductoarelor din interiorul materialului, care influențează atenuarea curenților turbionari generați de câmpul magnetic variabil.
• L' (inductanță liniară) – este responsabilă pentru capacitatea materialului de a stoca energie în câmpul magnetic și reglează propagarea undelor electromagnetice.
• C' (capacitate liniară) – este legată de proprietățile dielectrice și de dispunerea fibrelor conductoare una față de cealaltă, influențând comportamentul câmpului electric.

Acești trei parametri interacționează, determinând modul în care câmpul magnetic este atenuat și cum pătrunde prin structura materialului de ecranare. Ei se modifică odată cu frecvența semnalului, ceea ce complică și mai mult analiza și necesită măsurători specializate.

Semnificația structurii fibrelor și a plasei conductoare

Pe lângă parametrii electrici, structura fizică a materialului are o influență uriașă asupra eficienței ecranării. În cazul materialelor de ecranare fibroase, esențiale sunt:

• Dimensiunea și forma ochiurilor plasei – cu cât orificiile sunt mai mici, cu atât blocarea câmpului magnetic este mai eficientă, mai ales în benzile de frecvență superioare.
• Dispunerea și densitatea fibrelor – influențează uniformitatea acoperirii și continuitatea căilor de conducție pentru curenții turbionari.
• Conductivitatea fibrelor – materialele cu o conductivitate mai mare (de exemplu, cupru, argint) atenuează mai bine câmpul magnetic, dar pot fi mai scumpe sau mai puțin flexibile.

Structura materialului decide dacă câmpul magnetic va pătrunde predominant prin fibrele metalice sau prin orificiile de aer dintre ele. Această relație dinamică dintre câmpul magnetic și structura fizică explică complexitatea eficienței ecranării în funcție de condițiile de funcționare.

Ecranarea eficientă nu este doar o chestiune de material, ci și de structura și proprietățile sale electrice. Pentru a prezice eficiența unui ecran, este necesară o abordare holistică care să ia în considerare toți acești parametri și interdependențele lor.

Cum pătrunde câmpul magnetic prin ecran? Mecanisme de acțiune

Înțelegerea modului în care un câmp magnetic pătrunde printr-un material de ecranare este crucială pentru optimizarea protecției electromagnetice. Acest proces nu este simplu, deoarece comportamentul câmpului depinde de mulți factori, inclusiv de frecvența semnalului și de structura materialului în sine.

Principiul cuplajului câmpului magnetic (prezentat fără efect de suprafață)

Descrierea pătrunderii câmpului magnetic prin ecran

Câmpul magnetic interacționează cu ecranul în principal prin inducție – un câmp magnetic variabil generează în materialul conductor curenți turbionari, care, la rândul lor, creează un câmp magnetic care se opune câmpului extern. Această interacțiune inductivă este măsurată prin așa-numita inductanță de cuplaj L12, care descrie cât de eficient materialul „lasă să treacă” câmpul magnetic.

Un curent i1 care se propagă liniar este aplicat pe partea inferioară a materialului de ecranare (vezi Figura de mai sus). Fluxul magnetic Φ1, generat de curent (Φ1 = L12 * i1), pătrunde în materialul de ecranare în funcție de frecvență. Pe suprafața superioară a materialului de ecranare este indusă o tensiune u2 (u = ω * L12 * i1).

• Φ1 = L12 * i1
• u = ω * L12 * i1

Inductanța L12 cuplează curentul i1 cu tensiunea u2. Inductanța L12 depinde de frecvență din cauza efectului de suprafață. Caracteristica sa descrie influența efectului de suprafață și, implicit, proprietățile magnetice ale materialului de ecranare. Tensiunea u2 din spatele ecranului poate provoca alte interferențe, cum ar fi curenți, câmpuri magnetice și electrice.

Pentru a măsura inductanța L12, se utilizează o cameră de măsurare specială. (Figura de mai jos) prezintă configurația acestei camere. Materialul de ecranare este plasat într-o carcasă metalică închisă a camerei de măsurare. Pe partea inferioară a materialului de ecranare se află o linie strip cu o impedanță de 50 Ω (linia strip 1). Curentul i1 care trece prin linia strip folosește materialul de ecranare ca cale de întoarcere. Câmpul magnetic generat de curentul i1 pătrunde în materialul de ecranare în funcție de eficiența sa de ecranare. Pe partea superioară a materialului de ecranare se află o a doua linie strip de 50 Ω (linia strip 2). Tensiunea u2 este indusă în linia strip 2 de fluxul magnetic Φ1.

Configurația de măsurare cu linii strip și cameră de măsurare

Inductanța L12 (L12 = -u2 / (ω * i1)) descrie cât de mult flux magnetic Φ1 poate pătrunde prin materialul de ecranare și poate induce o tensiune u2.

• L12 = -u2 / (ω * i1)

Dacă în camera de măsurare nu există material de ecranare (vezi Figura de mai sus), se măsoară inductanța etalon L12 pentru configurația de măsurare (vezi mai jos). Inductanța L12 rămâne constantă într-un domeniu larg de frecvențe. Sfârșitul caracteristicii de frecvență liniare a camerei de măsurare are loc la 1 GHz.

Caracteristica de frecvență și cuplajul inductiv al camerei de măsurare fără material de ecranare (i1 = const.)

În timpul măsurătorilor (de exemplu, în configurația cu stripline, așa cum se arată în Figura de mai sus), tensiunea indusă în a doua linie (u2) este un indicator al gradului de pătrundere a câmpului. Valoarea inductanței L12 este calculată folosind formula:

L12= - U2/Wi1

unde U2 este tensiunea indusă, W este pulsația și i1 este curentul din prima linie.

Mecanismele de ecranare a câmpului magnetic

Tensiunea u2, indusă de câmpul magnetic (vezi Figura de mai jos), este citită de linia strip 2 ca u2'. Această tensiune este puțin mai mică decât tensiunea u2 de pe suprafața materialului de ecranare, deoarece o parte a câmpului magnetic pătrunde încă în spațiul dintre linia strip și materialul de ecranare. Acest efect este ignorat în continuare, iar u2' este considerată identică cu u2.

Captarea tensiunii u2 cu ajutorul unei linii strip

Tensiunea u2, indusă în linia strip, depinde de eficiența ecranării magnetice a materialului de ecranare. Inductanța L12 corespunzătoare descrie pătrunderea magnetică a materialului de ecranare.

Figura 5 prezintă tensiunea indusă u2 și inductanța L12 pentru materialul de ecranare S10.

Pătrunderea inductivă a materialului de ecranare S10

Fibrele conductoare din materialul nețesut metalizat formează ochiuri închise. Câmpul magnetic este împins afară din ochiurile metalice pe măsură ce frecvența crește (de la 500 kHz la 200 MHz).

În banda de frecvențe mai joase (sub 1 MHz), materialul de ecranare nu prezintă un efect de atenuare (vezi Figura 5). Tensiunea indusă u2 și inductanța L12 sunt egale cu valorile de referință măsurate în camera goală.

Pătrunderea inductivă a materialului de ecranare în banda de frecvențe mai joase fără efect de suprafață.

Pătrunderea inductivă a materialului de ecranare cu efect de suprafață; câmpul magnetic pătrunde prin orificiile umplute cu aer din material

De la aproximativ 0,5 MHz, inductanța camerei goale rămâne constantă la -169,8 dBH (3,23 nH). Sub 400 kHz, inductanța pare să crească, ceea ce este probabil rezultatul creșterii tensiunii u2 cauzate de influența câmpului electric al liniei strip 2.

Primul principiu de acțiune inductivă

De la 0,5 MHz, efectul de suprafață începe să devină vizibil în părțile metalice ale materialului de ecranare (vezi Figura 7). Tensiunea u2 și inductanța L12 scad progresiv (vezi Figura 5). Tensiunea indusă atinge valoarea sa cea mai mică la 200 MHz. În acest punct, apare un nou principiu de acțiune, care se suprapune peste deplasarea câmpului în metalul fibrelor (vezi Figura 8).

Al doilea principiu de acțiune inductivă

De la 200 MHz, tensiunea u2 crește liniar cu o pantă de 20 dB/dec, iar inductanța trece la o curbă constantă: -235,9 dBH (0,16 pH) (vezi Figura 5).

Componenta câmpului magnetic F2 pătrunde prin orificiile umplute cu aer din materialul de ecranare. Pentru frecvențele mai joase, această componentă a câmpului magnetic a fost mai slabă decât cea care pătrunde prin metalul materialului de ecranare. Pe măsură ce frecvența continuă să crească, întregul câmp este împins afară din metalul materialului de ecranare și trece doar prin orificiile umplute cu aer (vezi Figura 8). Calea de propagare a liniilor de câmp magnetic încetează să se schimbe odată cu creșterea frecvenței, ceea ce face ca inductanța să fie constantă. Valoarea inductanței L12 poate fi extrapolată pentru frecvențe și mai mari.

Inductanța de cuplaj L12 a materialului de ecranare este un parametru al materialului care poate fi definit ca o inductanță liniară specifică L12' [pH/cm].

Comparația materialelor de ecranare

Pătrunderea inductivă a ecranului a fost măsurată pentru șase materiale de ecranare și este prezentată în Figura 9.

Proprietățile de ecranare magnetică a șase materiale de ecranare cu inductanță de cuplaj

De la aproximativ 2 MHz în sus, se pot observa proprietăți bune de ecranare pentru cele trei materiale (S10, S2 și 02). În cazul celorlalte trei materiale (01, 03 și 04), efectul de ecranare a fost absent sau slab până la 1,5 GHz!

Eficiența ecranării materialelor diferă semnificativ – de la ineficientă la eficientă. Benzile de frecvență în care apar diferitele principii de acțiune ale ecranării se deplasează ușor în funcție de material.

• Materialul de ecranare 04: Nu prezintă un efect de ecranare magnetică, se comportă ca aerul (camera de măsurare goală).
• Materialul de ecranare 03: Atinge o atenuare a câmpului magnetic de doar 3 dB la 1 GHz.
• Materialul de ecranare 01: Atinge o atenuare de 12 dB la 1 GHz.
• Materialele de ecranare 02, S2 și S10: Sunt eficiente și prezintă benzile de frecvență ale celor două principii de acțiune. În prima bandă (până la 200 MHz), materialul acționează prin împingerea câmpului prin orificiile din ochiuri. În a doua bandă (>200 MHz), efectul este determinat de dimensiunea orificiilor metalice din ochiuri și de rezistența lor ohmică (atenuare de 40...65 dB). Structura materialului de ecranare determină efectul în ambele benzi.

Inductanța de cuplaj L12

Inductanța de cuplaj L12 a materialului de ecranare este un parametru care descrie pătrunderea câmpului magnetic prin material. Poate fi normalizată la un curent într-o linie cu o lungime de 10 mm. Atenuarea câmpului magnetic este exprimată ca diferența în dB între măsurarea cu materialul de ecranare și măsurarea de referință (fără material): Atenuare = L12-material [dBH] - L12-gol [dBH]

Concluzii privind proiectarea

Calitatea ecranării magnetice depinde de dimensiunea orificiilor din ochiuri, de secțiunea lor transversală și de conductivitate. Rezultatele măsurătorilor din Figura 9 arată clar influența materialelor de ecranare asupra câmpului magnetic, ceea ce reprezintă un avantaj pentru aplicarea și dezvoltarea lor. La proiectarea materialelor de ecranare, este important să se influențeze constructiv cele două principii de acțiune inductivă.

Două mecanisme principale de ecranare magnetică

Înțelegerea eficienței ecranării magnetice necesită cunoașterea mecanismelor de bază care determină modul în care un câmp magnetic este atenuat sau pătrunde printr-un anumit material. În materialele de ecranare studiate, se disting două efecte cheie:

I. Efectul de suprafață (skin effect) și deplasarea câmpului în metal

Primul mecanism este așa-numitul efect de suprafață. Acesta constă în faptul că un curent alternativ (AC) curge în principal într-un strat subțire de suprafață al unui conductor, numit „strat de suprafață”. Pe măsură ce frecvența curentului crește, acest strat devine tot mai subțire, ceea ce duce la o creștere a rezistenței efective și la atenuarea câmpului magnetic în interiorul materialului. În practică, acest lucru înseamnă că elementele metalice ale plasei sau ale fibrelor conductoare din materialul de ecranare „deplasează” câmpul magnetic spre exterior, limitând pătrunderea sa în interior. Acest efect este deosebit de puternic în banda de frecvențe de la câteva sute de megaherți în sus, când grosimea stratului de suprafață devine foarte mică.

II. Pătrunderea prin orificiile de aer din material

Cel de-al doilea mecanism este legat de prezența orificiilor, spațiilor goale sau „găurilor” în structura materialului. În cazul materialelor compuse din plase conductoare sau fibre aranjate într-un anumit mod, câmpul magnetic poate pătrunde prin aceste fragmente neprotejate.

Acțiunea acestui mecanism este dominantă în special la frecvențe mai joase, de până la aproximativ 200 MHz, unde câmpul pătrunde în principal prin spațiile de aer dintre elementele conductoare.

Eficiența ecranării aici depinde puternic de dimensiunea și forma acestor orificii, precum și de dispunerea lor.

Rolul structurii materialului în ambele mecanisme

Combinația acestor două fenomene determină eficiența finală a materialului de ecranare. Plasele cu ochiuri fine și fibrele cu conductivitate ridicată provoacă o atenuare mai puternică a câmpului magnetic, în special în benzile de frecvență superioare, unde efectul de suprafață este cel mai eficient.

În schimb, orificiile mari, neregulate, pot reduce semnificativ eficiența ecranării, permițând câmpului să pătrundă chiar și la frecvențe înalte.

Cum să alegi materialul de ecranare potrivit?

Alegerea materialului pentru ecranarea eficientă a câmpului magnetic este un proces care necesită luarea în considerare a mai multor factori cheie care influențează eficiența protecției împotriva interferențelor electromagnetice. Cunoașterea modului în care structura materialului și proprietățile sale electrice se traduc în comportamentul ecranului în diverse condiții este esențială pentru a asigura funcționarea optimă a dispozitivelor electronice.

Dependența eficienței de structură și frecvență

Problema principală este alegerea materialului în funcție de banda de frecvențe în care ecranul trebuie să funcționeze. La frecvențe joase (de la câteva zeci până la câteva sute de MHz), cel mai important aspect este minimizarea orificiilor de aer din material. Chiar și întreruperile sau fisurile minore din plasa conductoare permit pătrunderea câmpului magnetic, ceea ce reduce semnificativ eficiența ecranării. În acest domeniu, cele mai potrivite sunt materialele cu o structură fibroasă densă, care formează o suprafață conductoare aproape continuă.

În benzile de frecvențe superioare (sute de MHz până la GHz), rolul cheie îl joacă efectul de suprafață. Aici, în schimb, conductivitatea ridicată a fibrelor și dispunerea lor sunt importante – fibrele conductoare subțiri și bine așezate creează un strat în care curentul alternativ poate circula fără pierderi mari. Materialele cu o grosime mare și o bună conductivitate asigură o atenuare mai mare a undelor magnetice.

Semnificația orificiilor, a rezistenței și a conductivității

Orificiile din structura materialului, chiar dacă sunt mici, acționează ca niște canale care permit pătrunderea câmpului magnetic. Dimensiunea și dispunerea lor decid cât de mult câmp se „scurge” prin ecran. De aceea, este important să se aleagă materiale cu o porozitate minimă sau să se folosească straturi suplimentare care umplu aceste spații.

Rezistența de suprafață a materialului este un alt parametru important. O rezistență scăzută favorizează curgerea curentului de ecranare și crește eficiența atenuării câmpului. În practică, acest lucru înseamnă că chiar și modificări minore în compoziția sau structura fibrelor pot avea un impact vizibil asupra performanței ecranului.

Conductivitatea, la rândul său, ar trebui să fie cât mai mare posibil, ceea ce se realizează adesea prin utilizarea de fibre metalice sau de acoperiri conductoare. Fibrele de carbon sau nichel sunt soluții populare care combină proprietăți mecanice bune cu o ecranare eficientă.

Alegerea materialului de ecranare potrivit necesită o abordare holistică care ia în considerare banda de frecvențe de funcționare, structura materialului, conductivitatea sa și prezența orificiilor. Un material bine ales permite o limitare optimă a influenței câmpului magnetic, ceea ce este crucial pentru protecția dispozitivelor electronice moderne împotriva interferențelor.

Rezumat: Ce influențează ecranarea eficientă a câmpului magnetic?

Ecranarea câmpului magnetic este una dintre cele mai dificile provocări din ingineria electromagnetică. Așa cum am arătat în articol, eficiența protecției împotriva interferențelor depinde de o combinație complexă de proprietăți materiale, structurale și de frecvență.

Factori care influențează eficiența ecranării:

• Proprietățile electrice ale materialului: Parametrii precum rezistența de suprafață (R'), inductanța internă (L') și capacitatea (C') determină modul în care materialul reacționează la un câmp magnetic variabil. Materialele cu o rezistență scăzută și o inductanță aleasă corespunzător atenuează câmpul mai eficient.
• Structura fibrelor și a plasei conductoare: Densitatea și dispunerea fibrelor conductoare au o importanță uriașă. Plasele cu ochiuri mici asigură o pătrundere mai mică a câmpului magnetic, iar dispunerea fibrelor influențează direcționalitatea ecranării.
• Mecanismele de pătrundere a câmpului: Câmpul magnetic poate pătrunde în ecran prin pătrundere inductivă și prin orificiile de aer. Înțelegerea efectului de suprafață și a rolului spațiilor de aer permite o mai bună proiectare a unui ecran eficient.
• Frecvența câmpului: Eficiența ecranării se modifică odată cu frecvența semnalului. La frecvențe joase, continuitatea suprafeței conductoare este esențială, în timp ce la frecvențe înalte, proprietățile conductoare și efectul de suprafață sunt cele mai importante.
• Caracteristica materialelor testate: Comparația a șase materiale de ecranare diferite a arătat că cele mai bune rezultate sunt obținute de cele cu conductivitate ridicată și porozitate minimă, în special în banda de până la 1,5 GHz.

Ecranarea magnetică necesită nu doar alegerea materialului potrivit, ci și înțelegerea proprietăților sale fizice și electromagnetice. Materialele avansate cu fibre conductoare sunt o alternativă promițătoare la ecranele metalice tradiționale, oferind o flexibilitate mai mare și o aplicare mai ușoară.

La proiectarea sistemelor de protecție împotriva câmpului magnetic, merită să se ia în considerare toate aspectele discutate pentru a asigura o protecție maximă a dispozitivelor într-un mediu electromagnetic din ce în ce mai complex și mai solicitant.

Surse: How Do Magnetic Fields Penetrate Shielding Materials? Characterization of Shielding Materials October 26, 2023 Gunter Langer and Amirali Taghavi